Ydinjätteen riskien arviointiin soveltuvan radioekologisen mallintamisen kehittäminen empiirisen aineiston valossa.

Transkriptio

1 KYT2014 Puoliväliseminaari Ydinjätteen riskien arviointiin soveltuvan radioekologisen mallintamisen kehittäminen empiirisen aineiston valossa Jukka Juutilainen

2 Tutkimusryhmä Jukka Juutilainen, professori Hankepäällikkö Toini Holopainen, Metsäekosysteemin asiantuntemus professori Mikko Kolehmainen, Mallintamisen asiantuntemus professori Sari Makkonen, Ekologisten ympäristöriskien erikoistutkija (FT) asiantuntemus Elina Häikiö, yliopistonlehtori (FT) asiantuntemus Kasvifysiologian ja kasvien kasvatuksen Anne Kasurinen, tutkija Maaperäekologian asiantuntemus, (FT) osaprojektin 2 käytännön toteutus Päivi Roivainen, tutkija Osallistuu osaprojektien 1 & 2 (FT) toteutukseen Tiina Tuovinen, tutkija Osaprojektin 1 käytännön toteutus, (FM) jatkokoulutettava

3 Taustaa Edellinen hanke: Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoittamisen ekologinen riskinarviointi metsäekosysteemissä

4 Radioekologiaa loppusijoituksen näkökulmasta: radionuklidien siirtyminen maaperästä kasveihin on tärkeä prosessi

5 Siirtokerroin Radioekologisessa mallinnuksessa siirtymistä kuvataan yleisesti siirtokertoimella eli pitoisuussuhteella mallin eri osien (esim. maaperä, kasvi) välillä (CR=concentration ratio; TF=transfer factor) Siirtokertoimeen liittyy tyypillisesti suurta vaihtelua Edellisessä hankkeessa määritettiin loppusijoituksen kannalta tärkeiden alkuaineiden siirtokertoimia suomalaisessa metsäekosyysteemissä

6 Lineaarisuusoletus Siirtokertoimeen liittyy lineaarisuusoletus, jonka mukaan esim. kasvin pitoisuus kasvaa lineaarisesti maaperäpitoisuuden kasvaessa ja siirtokerroin on vakio kaikissa maaperäpitoisuuksissa. Lineaarisuusoletuksen kritiikkiä on esitetty jo usean vuosikymmenen ajan. Siirtokerrointa käytetään kuitenkin yleisesti, sillä näin malleista saadaan yksinkertaisia Lineaarisuusoletusta testattiin edellisessä hankkeessa

7 Osaprojekti 1: Siirtymisen epälineaarisuuden vaikutus biosfäärimallinnukseen Lähtökohtana aiemman hankkeen havainto, että siirtyminen maaperästä kasveihin ei ole lineaarista

8 Pitoisuuksien ja siirtokerrointen hajontakuviot välttämättämälle (Zn) ja eivälttämättömälle (Pb) alkuaineelle

9 Simulaatio: miltä hajontakuvioiden pitäisi näyttää, jos lineaarisuusoletus pätee? 1. Kasvin pitoisuus maaperän pitoisuuden funktiona 2. Siirtokerroin maaperän pitoisuuden funktiona 8 2, , , ,05 0,2 0,8 3,2 12,8 0 0,05 0,2 0,8 3,2 12,8

10 Pitäisikö siirtymisen olla lineaarinen? Kasveihin oton epälineaarisuus on tunnettu ja tunnustettu asia muilla tieteen aloilla Ravinteiden otto Raskasmetallien otto Freundlich Näillä aloilla kasveihin ottoa on kuvattu Freundlichin yhtälöllä C p = ac s b Langmuirin yhtälöllä C p = abc s /(1 + bc s ) ,5 3 2,5 2 Langmuir C p = pitoisuus kasvissa; C s = pitoisuus maassa 1,5 1 0,

11 Simulaatio: oletetaan kasvin pitoisuuden määräytyvän Langmuirin yhtälön mukaan, lisäksi satunnaisvaihtelua 1. Kasvin pitoisuus maaperän pitoisuuden funktiona 0 0,05 0,2 0,8 3,2 12, Siirtokerroin maaperän pitoisuuden funktiona 0 0,05 0,2 0,8 3,2 12,8

12 Havaitut siirtokertoimet maaperäpitoisuuden funktiona: epälineaarinen sovitus

13 Pitoisuus kasvissa vs. pitoisuus maassa: havainnot, Langmuir-sovitus ja lineaarisuusoletus Zn concentration in leaf oravmarjpit Soil total Zn concentration mg kg -1 (DW) linear

14 Osaprojekti 2: Kokeellinen ekosysteemi alkuaineiden siirtymisen simulointiin Aiemmassa hankkeessa pyrittiin määrittämään siirtokertoimia myös eläimiin (lieroihin ja maakiitäjäisiin) Edustavien ja käyttökelpoisten näytteiden saaminen luonnonvaraisista eläimistä osoittautui kuitenkin vaikeaksi

15 2011: kokeellisen ekosysteemin pystyttäminen ja testaus Mesokosmoskoe yliopiston tutkimuspuutarhalla Uraanipitoista maata Nilsiän Murtolahdesta normaalimaata puutarhan alueelta Mesokosmoksiin kolmea kasvilajia (koivu, heinä, saniainen) ja kahta eläinlajia (kotilo, liero)

16

17

18

19

20

21 Tavoitteet Siirtymisen epälineaarisuuden vaikutus biosfäärimallinnukseen Tulokset mennessä Artikkelit: Tuovinen TS et al. Soil-to-plant transfer is not linear: results for five elements relevant to radioactive waste in five boreal forest species. Science of the Total Environment 410: (2011) Roivainen P et al. Element interactions and soil properties affecting the soil-to-plant transfer of six elements relevant to radioactive waste in boreal forest. Radiat Environ Biophys 51:69-78 (2012). Tuovinen TS et al. Transfer of 137 Cs from water to fish is not linear in two northern lakes. Hydrobiologia DOI /s (2012) Käsikirjoitus tekeillä: mitä alkuaineiden epälineaarinen siirtyminen merkitsee radioekologisen mallintamisen kannalta.

22 Tavoitteet Kokeellinen ekosysteemi alkuaineiden siirtymisen simulointiin Tulokset mennessä Vuonna 2011 pystytetyn kokeen näytteistä on määritetty alkuainepitoisuudet. Kuusi mesokosmosta pidettiin yllä kesällä 2012 (lisättiin lieroja keväällä). Pitoisuudet määritetty tehtiin kotilotulosten varmistamiseksi erillisiä mikrokosmoskokeita (koivun lehdet, kotilot, maa±). Näistäkin pitoisuudet määritetty Aineiston alustavia analyysejä tehty

23 Tavoitteet Tulokset mennessä Tutkijankoulutus Päivi Roivaisen väitöskirja Characteristics of soil-to-plant transfer of elements relevant to radioactive waste in boreal forest on hyväksytty ja tohtorin tutkinto valmistunut 2011 T. Tuovisen väitöskirjan kaksi osatyötä julkaistu. Tuovinen TS et al. Sci Tot Environ, 410: Tuovinen TS et al. Hydrobiologia DOI /s Muut opinnäytteet: Rytkönen T Accumulation of metals, cobalt (Co), molybdenum (Mo) and nickel (Ni), to soil invertebrates in a boreal forest in Nilsiä, Eastern Finland. Pro gradu. Turunen S Cesiumin siirtyminen ravintokasveista poroon Pohjois-Suomessa. LuK-tutkielma.

24 Siirtyminen vedestä eliöön vs. syödystä syöjään vesiekosysteemissä (Tuovinen ym., 2012)

25 Uusia havaintoja kokeellisesta ekosysteemistä: Siirtyminen koivun lehdestä lehtokotiloon Pitoisuus kotilossa (mg/kg) Co Pitoisuus koivun lehdessä (mg/kg) Pitoisuus kotilossa (mg/kg) Mo Pitoisuus koivun lehdessä (mg/kg) havainto geometrinen keskiarvo havainto geometrinen keskiarvo Selitys: välttämättömien alkuaineiden pitoisuus eläimen kudoksissa säätyy vakiotasolle

26 Siirtyminen koivun lehdestä lehtokotiloon Ni Pitoisuus kotilossa (mg/kg) Pitoisuus koivun lehdessä (mg/kg) havainto geometrinen keskiarvo

27 Siirtyminen koivun lehdestä lehtokotiloon: eivälttämättömät alkuaineet Pitoisuus kotilossa (mg/kg) Pitoisuus koivun lehdessä (mg/kg) U Pitoisuus kotilossa (mg/kg) Pb Pitoisuus koivun lehdessä (mg/kg) havainto geometrinen keskiarvo havainto geometrinen keskiarvo Lyijyn kertymisestä elimistöön tiedetään: käyttäytyy kuten kalsium

28 Siirtokertoimet koivun lehdestä lehtokotiloon 3 Mo Siirtokerroin kotiloon Pitoisuus koivun lehdessä (mg/kg) 1.5 Ni havainto geometrinen keskiarvo Siirtokerroin kotiloon Pitoisuus koivun lehdessä (mg/kg)

29 Siirtokertoimet koivun lehdestä lehtokotiloon Pb U Siirtokerroin kotiloon Siirtokerroin kotiloon Pitoisuus koivun lehdessä (mg/kg) Pitoisuus koivun lehdessä (mg/kg) havainto geometrinen keskiarvo havainto geometrinen keskiarvo

30 Siirtokertoimet maasta lieroon Mo U Siirtokerroin lieroon Siirtokerroin lieroon Pitoisuus maassa (mg/kg) Pitoisuus maassa (mg/kg) havainto geometrinen keskiarvo havainto geometrinen keskiarvo